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园区智慧用电管理系统的设计与应用

范文

陈映荷闵薇

摘要：为解决目前园区用电管理紊乱、数据采集不便、运维智能化水平低等问题。研究搭建出园区智慧用电管理系统。本系统由网关、PC、手机、智能物联网设备等硬件组成。利用RS-485总线通信、数据库管理、GPRS无线传输等技术将智能电表、集中器、数据采集终端及云服务器连接起来进行信息交换与通讯，建立智慧用电管理系统。该系统能够保证用电管理的高效性和精准性，显著提高了物业服务的工作效率和智能化水平，减少了管理维护成本，有效改善了用户体验。

关键词：园区?智慧用电?管理系统?系统设计?电管理?智能化

中图分类号：N945.23;TM933

文献标识码：A.

文章编号：1003-0069（2020）08-0086-04

引言

随着物联网、云平台等新兴信息科技的日益成熟，未来园区用电管理的发展将更加智能化、信息化。近年来，越来越多的能源互联网企业为园区用电管理提供了解决方案，文献[1]提出基于大数据技术设计开发的智能电表远程抄表系统替代传统的人工抄表方法，能够有效提高抄表的速率，并降低误抄率。文献[2]提出基于无线传感器网络研究开发的建筑智能用电监控系统，实现对用电设备的智能化安全保障，以避免由于设备维修不及时引发的建筑用电安全问题。文献[3]提出利用数据采集器对用电信息进行实时采集，实现对窃电行为的有效监测以及提高了线损管理的智能化水平与效率。但是以上研究成果仅改善了抄表效率低下设备管理粗放及电能损耗较大等问题，在建筑园区电费业务管理层面上仍存在一些难题尚未得到解决。一方面，传统采用的预付费电表方案并不适用于商业园区，电表下属的负荷大小各有不同，若出现欠费断电的情况，很有可能会对公司业务、数据库等重要信息造成重大损失;另一方面，园区各企业的电表数量众多，“充值流程繁琐”、“电表管理困难”、“业主拖欠电费”等问题严重影响着园区用电管理的服务质量，进而导致入场企业存留率低、园区市场竞争力弱等问题。

园区的服务质量和数字智能化水平是吸引现代企业入驻，赢得市场竞争优势的关键性因素。基础能源服务能力不达标，将意味着园区经济发展能力的下降甚至缺失，因此，如何吸引企业并提升园区服务水平，是园区未来值得思考的发展方向。为解决以上问题，提出在现有研究成果的基础上，建立设计以“业务智能”和“设备安全”为核心理念的园区智慧用电管理系统。

一、园区智慧用电管理系统设计

系统设计是通过特定的技术或组织构成的网络化配置，注重目标用户的需求，用以提供用户所需的服务。作为一种全新的设计思维模式，其特点体现在本身的平衡性，即维持系统“使用端”和“服务端”之间的平衡度，融入了产品及服务的规划设计流程，综合运用设计学理论及方法对产品及管理服务进行一体化的设计实践。系统设计兼顾了视觉设计、功能设计、交互设计、服务设计以及体验设计，用户通过研发的系统平台满足自身的需求和期望，从而有助于提升系统的满意度和便捷度，改善用户体验。这种体验感受是用户在使用系统过程中贯穿于整个管理系统的主观感受[4]。

园区智慧用电管理系统主要由智能电表、数据采集器、数据集中器及其他辅助通讯部件构成，用户端为园区物业使用的Web端程序和业主使用的小程序，用户不仅能实现用户实时用电数据的查询及业务处理功能，拥有平台体验良好的人机交互功能，还可以方便快捷地得到所需信息，享有更為智能化的分析系统和用户管理[5]。系统利用RS-485总线技术一点对多点的通讯特征将智能电表和数据采集器及集中器组成传输监测设备组，实现一个数据采集器与多个智能电表通讯的要求，用以完成对多电表能耗数据的实时采集和有效存储，并将各个电表节点的用电数据经分析处理后实时传输至系统中心进行后台业务操作与算法实现，例如远程抄表、自动生成每月的账单等[6]。另外，系统还可根据传输的电能参数判断当前设备的电压和功率是否超出设定的阈值范围，一旦超出范围即可通过GPRS通讯向用户发送预警信号（手机短信和平台警告），从而保证用电设备处于安全状态。同时，不同经济产业园区的传输监测设备组可以通过以太网技术实现与系统中心计算机的信息互通，完成数字化管理及后续数据的统计处理与分析7。智慧用电管理系统总体设计方案如图1。

二、系统硬件设计

基于园区智慧用电管理系统的总体设计，本系统设备配置主要分为以下几个部分。

（1）智能电表。作为整个用电系统的核心部件，它主要用于采集、计量、存储及传输业主原始有功电能数据，对数据进行处理分析及展示，并利用数据库技术实现信息的管理与维护以及数据交互功能。

（2）防盗摄像头。主要目的是监控设备防止被窃。当设备安装箱被打开时，启用摄像头对行为人进行拍照，并将拍摄的照片传输至数据库，若发生设备遗失事件，即可在数据库读取盗窃者的图片信息以锁定目标[8]。

（3）Flash存储芯片和系统内存动态存储器以及各种设备电源电路模块等其他辅助部件。

（4）数据采集器。主要功能是完成对电表数据的实时采集和存储，并接收服务器远程指令下达至电表节点。

（5）数据集中器。通过预设好的算法，完成对电表数据的实时扫描、采集、处理和传输;完成远程系统中心发出的抄表指令，并对设备进行实时监测及故障上报。

（6）系统管理中心计算机和支持的数据传送通信部件。主要采用以太网技术将各个设备连接构成局部网络系统，实现远程输送和数字化管理[9]。

（一）智能电表

系统采用功能强大且承接多种电力费率计算的智能电表作为整个系统的重要终端设备。电表核心部件是能够采集和存储信息的智能芯片，主要功能是分析与处理采集到的用电信息、对业主有功用电量值、负荷电压、电流等数据进行计算处理，然后传递至系统，再由物业工程部进行专业化的数据分析[10]。在每个线上计费周期开展的账单业务中，物业人员可对园区业主用电数据进行编辑与审核。除此之外，智能电表也能高精度地自动测算出设备工作状态下的参数，并对其进行分析与存储。用户可通过系统的设备监测功能模块来进行报警阈值设置，一旦电表发生异常，系统将及时发送告警命令以阻止问题.的恶化，同时将识别结果及告警时间存入数据库，以达到监控各项设备运行状态的目的[11]。

（二）集中器

系统采用集中器作为与智能电表实时通讯传输的载体，对于两者之间的通讯途径，此次设计采用的是RS-485通信方式，其中智能电表均配置RS-485的通讯接口。集中器内部的核心部件是一个携带高精度电能的计量芯片，属于中心型设备，能够及时准确地反映集中器本地的各种瞬时信息并完成集中化传输，利用RS-485方式实时采集和存储该区业主用电的电压、电流、功率等数据，并自动对所采集的信息进行科学计算处理，通过GPRS无线传输方式将处理后的数据传送至用电管理系统中心[12]。同时，系统服务器发送的指令经由通道传输至集中器进行命令帧分解，解析成集中器可鉴别的信息，根据信息要求采集相应的数据，并传输至系统服务器，实现查询功能，从而完成信息的双向透明传送。另外，集中器可提供设备运行状态等信息并进行自检，对异常及故障事件进行存储及上报，记录异常发生现场的一些重要数据用以后续的分析处理。

（三）数据采集终端

数据采集终端利用GPRS无线通信技术将采集的信息传输至系统中心，也能够接收系统中心发出的相关指令并执行。终端核心系统采用的是高性能嵌入式AT89C55CMOS单片机，其完整的终端运行程序主要是由通讯模块、数据采集模块、信息存储模块等构建而成，实现电表数据的读取、采集和存储，并与主控中心进行数据交换。基站信息交换配置的是宏电H7118GPRSDTU（Date?Terminal?Unit）产品，通过与后台中心建立无线双向数据传输来实现用电数据的通讯与传送。以MAX485为通讯接口芯片，用以接收集中器发出的相关指令，从数据中心采集所需信息再发送至用户设备端。另外，终端可自带备用储备电源实现停电数据保护，停电期仍可抄表，同时也能接收到。其中原理实现如图2。

三、系统软件设计

系统软件部分从稳定性、先进型、易拓展性、开发友好性等方面进行综合考虑，基于系统需求分析，采用将业主配置分散的多个电表集中到账户内进行统一管理的方式，根据用户不同的身份创建对应的角色账户并进行权限设置管理。物业工作人员基于所划分的角色登录相应的账户后，系统通过接收电表传输的用电能耗数据，实现自动存储、计算、比较、判定等功能，以便工作人员能够及时准确地掌握各个业主的用电情况及用电设备的运行状态[13]。同理，业主公司下也可以有多种角色分类，登录账号即可操作对应的业务。软件系统整体功能结构如图3。

将软件设计进行细分，主要包括3个部分：①物业Web端程序，主要实现处理每月自动生成的账单、统计能耗数据，以及追踪电费和监测设备等功能。②业主端微信小程序，主要完成账单处理、电费充值、发票申请、查阅用电量情况及园区能耗指标排名等操作。③系统数据库，主要实现功能包含设备信息的存储与更新、监测数据及完成其识别结果的管理与维护等。

（一）物业Web端程序设计

不同园区各个企业楼宇间的空调、照明、电梯、消防等用电分项所产生的能耗数据通过智能硬件接入到系统中，实现与计算机的信息交换和通信[14]。系统Web端是基于业主局域网，通过在浏览器输入固定的网址进入系统登录界面，输入准确的用户名和密码，进入首页以完成待办的任务事项。物业端程序主要功能为账单与电费管理、设备监测、发票和充值审核、能耗分析等。账单与电费管理可编辑与审核每月自动生成的账单、协调设置动态电价、在线追踪电费，对于电费余额状态为欠费的用户可以做远程断电处理;设备监测模块对所收集的监测记录进行汇总处理，在满足物业工程人员无需前往安装现场的条件下，即可选择查看各个用电设备的所有实时数据、异常报警及设备连接状况[15]。

物业端程序的核心功能展示集中于业务受理信息管理，物业用户在选择用电查询模块后，可筛选查询条件，其中包括业主编号、业主户名、业主所在区，系统会根据查询条件进行数据库访问。除此之外，该模块还可以对某业主自入场以来所产生的用电数据进行查询，例如日用电量、月用电量、年用电量，也可以对整个区的用电消耗情况进行查询，并支持数据统计绘图功能，使得用电观察具有更加清晰直观的良好呈现。其功能结构如图4。

（二）业主端微信小程序设计

系统在进行线上业务处理是一个长期双向的过程，物业端在发出指令后，业主端需要借助工具载体对服务进行反馈与处理，因此，开发一款高效准确的业主端程序显得至关重要。微信小程序作为无需用户下载安装，即可使用的技术应用，具有开发使用成本低、用完即走、运行流畅与内存小巧的优势。目前，园区入驻企业的电费账单更新周期是每月的25日，业主除了在收到设备异常和催缴电费信息的情况下需要使用小程序以外，平时使用它的频率较低。采用依赖微信生存的小程序作为业主端，不仅可以在一定程度上增加用户的使用黏性，还能在满足低频使用需求下帮助用户节省手机内存空间。

业主端小程序的主要功能集中于接收或拒收账单、缴纳电费、用电信息查看管理等。物业在每个月账单结算日将经审核完成的账单发送至业主端。业主管理人员打开小程序录入用户名和密码后，点击登录进入首页，即可看到在首页屏幕中心出现的账单弹窗提示，如图5（a），以便于用户及时准确高效地对当月账单进行处理反馈。小程序界面设计包括首页、消息、低碳圈及我的，如图5（b）。在首页选择需查询和处理的业务即可进入相应的功能界面，例如電费充值及账单查询、查看申请开票及充值的进度统计电费充值记录和用电数据等。消息模块主要完成提示业主接收账单、及时查看设备告警信息、提醒监督业主及时缴纳电费等工作;低碳圈主要展示业主的能耗数据，并依据《民用建筑能耗标准》（GB/T51161-2016）进行数据分析计算，基于能耗指标分档绘制用能指标排名统计图供业主查看，用以控制用能总量，并促进所面临的建筑节能管理工作;我的包含查看或变更用户基本信息、帮助和意见反馈、系统退出等。

（三）系统数据库设计

建立一个适当的数据库有助于为用户提供访问最新的准确信息。结合开发的用电管理系统，利用SQLSever数据库管理平台设计了系统的数据库，以保证系统业务功能的顺利实现[16]。将数据库结构分为4个模块，分别为：基本静态信息设置模块、实时动态信息更新模块、实时存储信息模块、系统维护管理模块。主要实现功能为设备初始信息存储、实时监测设备信息、历史数据存储和管理等。系统数据库设计结构如图6。

1.基本静态信息设置模块

用于园区电表静态信息的配置与管理，购入的电表需经过测试合格后方可投入使用，同时要对这些计量设备进行统一的编号设置，包括入场时间、设备参数、安装地点计量算法、基本电表信息等[17]。

2.实时更新信息动态

管理系统设备监测界面上实时更新的监控数据和识别结果，并对各种计量设备当前状态进行初始化设置和动态参数更改。

3.实时存储信息

用于历史数据的存储及维护，例如，监测设备实时用电数据和防窃信息、系统运行状态及设备故障记录等。

4.系统维护

通过建立用户角色账号进行密码识别，例如物业端的主要用户是工程部专员、客户部专员、物业中高级管理人员。工程部人员熟悉电表的工程操作和电费相关工作，客户部专员熟悉电费收取业务的工作。基于不同的角色进行业务权限设置，用以保证特定角色只能在被允许的范围内进行功能操作。

采用数据库技术可以实现对整个用电系统信息数据的有效管理，不仅效率高并且数据偏差率低、安全可靠、使用维护方便，有较好的管理体验，为后续的业务数据分析处理打下了良好的基础。本系统数据库服务流程如图7。

结论

能耗用电管理涉及到用户的切身利益和需求，其引发的问题易导致较高的社会效应。园区智慧用电管理系统设计提供并构建了一种稳定可靠、高效安全的管理平台及实现方法，整体缩减了用电管理的总成本，提高了园区服务工作效率与智能化水平。提出系统的整体管理结构设计，主要包含了电费账单业务模块、设备监测模块、数据统计分析模块，分析了各模块的主要功能。为了解决不同用电分项下多电表管理混乱以及企业拖欠电费的问题，提出建立“角色账户”进行分管的思路进行构建设计，为园区系统用户提供实时可靠的用电信息，以远程控电的短信提醒方式监督企业缴纳电费。该系统还可向气、热、水表计量与抄表管理、重要设备运维管理等领域扩展，并最终为未来实现建立“智能化园区”提供一定的借鉴和参考，具有较强的应用价值。。

参考文献

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